Généralités sur les matériaux composites

Au cours des années 70, les applications composites ont gagné en popularité dans les domaines de l’aéronautique, de l’automobile, des articles de sport et du biomédical. Successivement, les années 80 ont vu un développement significatif dans l’utilisation des fibres de haute performance [1]. Les matériaux composites sont attrayants car ils combinent avantageusement les propriétés des matériaux constituants et offrent des structures légères ayant une grande rigidité. Les propriétés peuvent s’adapter à des applications spécifiques tout en réduisant le poids et les besoins énergétiques.

Le marché des composites en est un de plusieurs milliards de dollars par année et la fibre de verre domine le marché. Elle est utilisée dans 95% des applications pour les composites thermoplastiques et thermodurcissables. Cependant, l’approvisionnement mondial en ressources naturelles est en baisse et la demande de matières premières durables et renouvelables ne cesse d’augmenter. En 1997, environ 25 millions de tonnes de fibres synthétiques et environ 20 millions de tonnes de fibres naturelles ont été produites dans le monde. Après des décennies de développement de fibres synthétiques de haute performance tels que le carbone, l’aramide et le verre, les fibres naturelles, avec leurs nobles avantages (faible coût, faible densité, propriétés de résistance spécifiques acceptables, facilité de séparation, séquestration du dioxyde de carbone, biodégradabilité, etc.) ont acquis un regain d’intérêt, en particulier comme produit de remplacement de la fibre de verre.

De nos jours, l’accent est mis sur le développement de produits partiellement ou totalement écologiques et les composites à fibres naturelles (CFN) représentent une alternative réaliste aux plastiques renforcés par de verre [4]. Une solution respectueuse de l’environnement qui pourrait bien devenir le nouveau matériau du 21ème siècle, puisqu’ils représentent une solution partielle mais réelle aux nombreux problèmes environnementaux mondiaux [2]. En 2010, 315 kilotonnes de biocomposites étaient déjà utilisés dans l’industrie européenne, principalement dans les secteurs de la construction et de l’automobile .

Un matériau composite est défini comme un système composé de deux ou plusieurs constituants, dont les propriétés et les performances de la structure résultante sont supérieures à ceux des matériaux constitutifs pris de façon indépendante. Habituellement, l’une des deux phases est discontinue, plus rigide et plus résistante, connue sous le nom de « renfort », tandis que l’autre phase est continue, moins rigide et appelée « matrice ». Celle-ci sert à transmettre les efforts entre les fibres (de fibre en fibre) afin de répartir les charges externes à l’ensemble des fibres constituant la pièce composite. Dans certains cas, il peut y avoir une phase supplémentaire, résultant de l’utilisation de produits chimiques, souvent utilisée pour améliorer la performance des deux phases principales ou comme agent de liaison entre les phases principales. Les propriétés d’un composite dépendent des propriétés de ses constituants, la géométrie et la répartition des phases. Un des paramètres les plus importants est donc la fraction massique ou volumique des phases [8, 9]. La distribution des fibres du renfort a aussi un impact important sur les caractéristiques d’un composite. Un renfort moins homogène voit sa probabilité de défaillance augmenter dans ses parties les plus faibles, tandis que la géométrie et l’orientation du renfort a un impact sur l’isotropie du système [9]. Le choix des phases constitutives d’un composite dépend de leurs propriétés, de la possibilité de les assembler efficacement en un seul matériau, de leur coût et de l’application du composite lui-même. Dans le cas des composites à faible ou à moyenne performance, le renfort est généralement fabriqué à partir de fibres courtes ou de particules qui renforcent la matrice localement. Pour les composites à hautes performances, les renforts sont généralement fabriqués à partir de fibres longues et continues, aux propriétés élevées et où la charge est supportée principalement par les fibres, la matrice jouant essentiellement le rôle de support.

Malgré les propriétés mécaniques élevées des fibres, la matrice est essentielle pour supporter et maintenir les fibres entre elles et ainsi assurer que la forme requise est donnée à la pièce finale [7]. Les matrices polymériques peuvent être de type thermodurcissable ou thermoplastique. Les résines thermodurcissables sont initialement sous forme liquide et caractérisées par une réaction chimique irréversible après l’ajout d’un catalyseur. Après polymérisation, une seule macromolécule tridimensionnelle aux liens chimiques forts (covalents) est obtenue à l’échelle de la pièce. Un thermodurcissable ne peut donc pas être fondu de nouveau pour retourner à l’état liquide. À l’inverse, les résines thermoplastiques sont initialement à l’état solide, caractérisées par l’enchevêtrement de chaines polymériques plus ou moins longues, et peuvent être liquéfiées en augmentant la température au-delà du point de fusion. Une fois refroidies, elles récupèrent leurs état solide initial (et leurs propriétés) et, par conséquent, offrent l’avantage de pouvoir être refondues et remoulées même après polymérisation.